激光雕刻实验报告
激光拉曼光谱实验最优实验参数的确定
讨论了激光拉曼实验中狭缝宽度、阈值大小、积分时间和负高压对拉曼光谱的影响,确定了激光拉曼光谱实验的.最佳工作参量,获得了清晰的拉曼光谱.
作 者：申晓波 郝世明 胡亚菲 SHEN Xiao-bo HAO Shi-ming HU Ya-fei 作者单位：河南科技大学,理学院,河南,洛阳,471003 刊 名：物理实验 PKU英文刊名：PHYSICS EXPERIMENTATION 年，卷(期)： 29(10) 分类号：O434.13 关键词：拉曼光谱 缝宽 阈值 积分时间 负高压在现代检测领域的很多场合, 我们需要快速、准确、有效地获取空间三维信息。传统测量技术主要是单点精确测量, 可以很方便的测量出工件的几何参数, 但是用来建模就很困难。理论上, 我们可以对一个物体测量许多个点, 然后根据这些点的参数来建立物体的三维模型。为了准确描述目标结构的完整属性, 需要大量的测量点采集, 少则几万个, 多则几百万以上, 如果用传统的测量方法, 工作量太大, 效率太低。
传统的检测方法和技术很难快速准确地获取各种大型、复杂、不规则被测物体或实景的三维数据信息。利用三维激光扫描技术, 可以迅速地获取将被测物体的多维数据信息, 进而可以快速复现被测物体的三维实体模型。同时, 还可以对激光扫描中获取的三维点云数据进行有限元分析、仿真分析、任务模拟等后续的处理工作, 也可以作为UG、CAD、有限元等各种正向工程工具对称应用的工具。三维激光扫描技术应用广泛, 但是成本也较高。本文介绍一种简易的三维激光扫描实验装置, 利用一些简单的元器件即可组装, 完成基本的扫描任务, 可较好地应用于课堂教学。
2 实验装置的工作原理
由激光发射器将红外光照射到被扫描物体上, 利用改进后的摄像头 (只能吸收红外光) 对物体进行拍摄。摄像头采集的信息经软件处理后生成点云, 再将点云模拟成物体的具体形状, 实现三维扫描功能。
3 元器件的选用
3.1 激光发射器的选用
激光发射器的作用是产生激光并将其照射到被扫描物体上。激光照射到物体表面一般有两种类型, 点状和线状。线型光照射到被测物体反射后得到的是一个扫描截面的数据, 所以采用线型光可以加快扫描速度, 精度也较高。虽然线型光的光亮强度会随着距离的增加而衰减, 但是当被扫描的物体距离较近时, 完全可以满足要求。
对于激光发射器的选择, 主要考虑发射波长和功率。本装置建议选用波长为850nm的红外激光发射器, 与后续的红外滤光片相配套 (见“摄像头的选用”) 。为了能够缩短摄像机曝光速率进而从画面上过滤到环境光的干扰, 一般选择较高的激光器功率。选择较高功率的激光器还可以增加扫描距离。但是, 选择激光发射器时还应考虑安全问题, 功率越大, 存在的安全隐患也越大。所以, 本装置不宜选取功率较大的激光发射器, 建议选择功率小于100MW的激光器, 并时刻注意在使用时不能用眼睛直视。
3.2 摄像头的选用
摄像头的作用是采集图像信息。如果摄像头只能采集物体表面被照射的光线而不采集其他光线, 这样成像的效果最好, 可大大减小环境干扰。一般市面常见的USB VGA摄像头 (像素越高越好) 即可满足要求, 但是需要对其做一改进。为了能够使摄像头只采集物体表面上的光线, 需要移除摄像头镜片中的红外截止滤光片, 自行安装一个红外滤光片。
红外滤光片允许红外光透过而对可见光截止, 它的透光波长范围要与前面所选的红外激光发射器波长相对应。如果不移除红外截止滤光片, 则只能够感受到很微弱的红外信号。
3.3 伺服电机的选择
为了能够扫描物体的全部或某一特定轮廓形状, 需要激光发射器与摄像头一起相对被扫描物体做旋转运动。实现这一运动有两种方式, 即手动与自动两种方式。手动形式最简单的方法就是手持物体或激光器使其旋转, 另外一种方法就是将激光器安装在专用支架上, 然后手动旋转调整。自动形式则需要采用步进电机, 通过步进电机控制工作台, 带动激光器或者物体做精确的旋转运动, 可以相对转动某一指定的角度。
本实验装置中选用的摄像头帧率是30fps, 扫描速度不快, 对步进电机无太高要求, 只要能够直接控制定位到指定角度, 驱动相对容易即可。普通的标准舵机虽然精度相对较低, 但是考虑到本装置的成本与使用场合, 可满足要求。
4 图像的处理和渲染
利用专门软件对摄像头采集的图像信息进行处理, 生成点云, 从而建立被扫描物体的三维模型。由于采用了红外激光器, 在加装滤光片后, 背景光干扰被有效的去除。画面上除了激光光斑外, 几乎看不到别的内容。红外激光在摄像头中将以偏紫色的色彩显示。一般情况下, 可自行编写软件来查看3D点云, 也可以利用开源的MeshLab、Matlab、Blender等工具查看点云。对于一般的实验装置, 可以选择david-laserscanner或者blender软件, 这两款软件使用方便、功能强大。
5 结语
现在市面上有很多三维激光扫描装置, 功能强大并且精度很高, 但是价格不菲。文中介绍的扫描实验装置结构简单, 只要明白了工作原理, 完全可以自己组装, 能够实现基本的扫描功能, 价格低廉, 非常适用于课堂教学和学生的课外知识拓展。但是本实验装置也存在一些问题, 比如扫描精度有待提高, 如何将多次扫描的点云对接起来等。相对于几千元甚至数万元的激光扫描仪, 该实验装置具有非常高的性价比。
摘要：利用激光扫描技术能够非常方便地获取被测物体的三维信息并建立模型, 但仪器设备价格较高, 不能很好地应用于课堂教学。文章设计一种简易的三维激光扫描实验装置, 结构简单, 能够实现基本的三维扫描功能, 满足基本的教学需要。
关键词：激光,扫描,装置
参考文献
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[3]赵晓明, 洪波.三维激光扫描仪应用技术研究[J].价值工程, 2010 (09) :236.
[关键词]轴子；量子色动力学；光子静质量效应
[中图分类号]E933.43 [文献标识码]A [文章编号]1672-5158（2013）05-0009-01
1轴子、光子相关理论简介
本文首先简述了关于轴子和光子的理论，以方便研究轴子和光子的相关理论，进行相关实验。
1.1量子场论
量子场论是以量子力学原理等为基础，一种解释了微观物理学的理论。量子动力学具有悠久的历史，也比较成熟。他研究的内容主要是电磁场和带电粒子的相互影响的情况以及这种相互影响的量子性质、带电粒子相关活动等。它还对相关高精度实验进行了分析。
我们所生存的世界中存在着许多量子场系统。粒子的生成或消失取决于量子场的情况。所渭真空就是指量子场中的能量处于一种最低状态。与其他激发态相比较，这种最低态指的是不存在任何粒子的状态，可是，真空中存在着许多量子场，并时时刻刻运动，即物理学中所谓的真空零点振动，该点对应的能量则称为真空零点能。在这种情况下，若能够使量子场不再扩散到更大的空间中去，而它所在的较小的空间的大小出现改变时，此量子场产生的零点振动能也会出现较小的改变，即得出了著名的卡西米尔效应。
1.2对称性和守恒律
对称性和守恒律在物理学中有着非常重要的地位。物质的情况及其运动特点在对称变换时所展现出的固有性质就是对称n生。如果物体的运动及其能量最低态具有对称性特点，则其相应的物理量均守恒。物质在运动过程中都满足守恒定律。
1.3规范场和规范玻色子质量
规范场是一类物质场，它与相关规律的固定性联系很大，规范玻色子指的是一种场量子。电磁场也是常见的规范场。其不变性对周总耦合形式的形成有很大的影响。规范场的量子就是规范玻色子，也使其相互影响。因为规范对称性的规定，规范场的相关量中没有规范场的质量项，它会影响规范对称性。当相应的规范玻色子质量为零时，这说明其对应的作用是长程力。
2强场激光偏振法探测轴子实验简述
二十世纪末，世界著名大学罗切斯特大学的一位博士和一些学术专家在美国国立实验室做了该实验。他们通过变更激光射向强磁场偏振方向的方式，来探测轴子。下面着重研究光子非静止质量的相关情况。
强场激光偏振法探测轴子实验，指的是研究轴子与光子的电磁耦合作用。有相关效应可知，当一束线偏振光出现于强磁场时，而与磁场正交的分量则与磁场相互作用生成新的轴子，所以，此分量的幅值就会降低，进而造成其偏振方向会与原偏振方向有一定的角度。二十世纪末，有一些博士和专家就在这一理论的基础上来探测肘子。
该实验体系由三部分组成，一是强磁场；二是光学系统；三是椭圆偏振检测系统。强磁场主要是生成新的轴子，磁场是通过超导偶极磁体形成的。还有其他物体如起偏器等，其光轴方向与磁场方向须有一定的夹角，如此方能满足实验的要求。
实验时，首先在某一横向磁场中引入一束线偏振光，激光先经过隔离器到达起偏器，其光轴方向与磁场方向会有一定的夹角，而后会产生一定角度的线偏振光，接着射进光学反射腔，最后又到达检测区，反射腔位于磁场区中，一旦磁场中形成新的轴子，则反射腔发出光线，其偏振状态会有一定的改变。实验对变化的激光偏振方向夹角进行分析，以达到探测轴子的目的。
光首先进入反射腔，射出后又进入法拉第盒，并得到其一定的调制，如此有利于避免不必要的非线性项，随后射到检偏器上，需要说明的是，它和起偏器一样也是偏振晶体，二者的光轴方向是正交的，结果发出的光电信号传到光电二极管，并在此处被检测出。我们要想了解该偏振光的椭圆率，可以把一定规格的波片放在法拉第盒的前边，这样就可以通过测量偏振方向的变化来得出该椭圆率。
3光子静止质量为零时的实验分析
由相关效应知，当线偏振光经过较强磁场时，与磁场正交的分量在与磁场相互作用的过程中形成轴子。有量子动力学理论可知，光子主要来源于激光束，并在强磁场的影响下，形成了轴子。磁场中的场强张量存在于一定区域的总电磁场中，它包括两部分，一是外部产生的强磁场；二是由激光束产生的电磁场场强。
因为Primakoff效应中的光为外磁场平行的部分时才能形成轴子，但和外磁场正交的部分却未出现任何改变。二十世纪末期，有一些专家教授根据相关理论和原理，并采用相应的方法来探测轴子。当激光经过一个非纵向的磁场区时，其偏振方向则会与磁场形成一定的角度，约为45度。发出的激光的偏振方向与原方向也会形成相应的角度。
4光子静止质量不为零时的实验分析
从一些图书资料中可以查知，爱因斯坦在狭义相对论中提出了两个基本假设，即所谓的光速不变和相对性原理，它对现代物理学的发展起了巨大的推动作用。光子静止质量上述假设中的观点。物理学是建立在实验的基础上的，因此，只有进行科学的实验才能得出正确的理论。我们可以从电动力学中得出光子静止质量为零时的电磁场的密度等参数。由此密度推导出电磁场的运动方程。当光子静止质量为非零时，玛克斯韦尔电磁场必须把其静止质量项考虑在内。然后才能对其进行独立地光子静止质量研究。实验中测得的角度与磁场区域长度呈线h生关系，为方便探测，在实验中安装了反射镜，使激光循环反射，从而增强了相应的测量效应。
结束语
轴子是一种假定的粒子，它是为了说明量子色动力学中的强CP问题，人们很青睐这种冷暗物质粒子。轴子一旦被发现，其意义非凡，否则，就不可能存在轴子模型，我们也就找不到解决强CP问题的具体方法，这要求我们另寻其他方式方法。本篇论文简要介绍了其相关理论和一些模型，还有现在探测轴子的一系列实验。此外，我们经过一番理论分析后，得出了轴子和光子的相关参数及关系式，从而推导出并得出轴子质量限。
光子静止质量不能随便认为是零，必须通过实验确定。本篇论文以有质量电磁场理论为基础理论，在做强场激光偏振法测轴子实验过程中，对其光子静质量效应的相关情况进行了研究，然后，再与其他实验中的光子静质量限对照一下。最后，我们得出如下结论：光子静质量效应几乎不对轴子质量限产生任何作用；由实验得出的光子质量限精度远远扭秤测得的精度。
激光抽运铷原子频标的实验研究
研制了激光抽运铷原子频率标准,对其多种参数及指标进行了测量,分析并提出了如何提高指标的`相应措施.
作 者：黄学人 涂鲜花 梅刚华 朱熙文 作者单位：黄学人,梅刚华,朱熙文(中国科学院武汉物理与数学研究所波谱与原子分子国家重点实验室,湖北武汉,430071)涂鲜花(中国科学院武汉物理与数学研究所波谱与原子分子国家重点实验室,湖北武汉,430071;中国科学院安徽光学精密机械研究所激光光谱学开放实验室,安徽合肥,230031)
刊 名：中国激光 ISTIC EI PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF LASERS 年，卷(期)： 29(6) 分类号：O431.2 关键词：激光抽运 小型铷原子频标 半导体激光器第二阶段(1991-)为平稳增长期。随着中国的改革开放步伐，由高校产学研系统孵化的激光技术相关企业和产业的壮大，国内申请量稳步上升，同时国外激光技术大公司也开始加大对中国的专利布局，但整体幅度仍然不大，1991年至19期间每年中国专利申请也不到200件。
第三阶段(-)为快速增长期。到以后，国内激光加工企业都已经初具规模，研发能力进一步增强，高校、科研院所、企业成为激光加工技术申请人的并列主力军，国外企业也高度重视在中国的专利布局，导致申请量快速增长，总体而言，激光加工技术20的中国专利申请量是20的4倍多。
第四阶段(至今)为高速增长期。20以后，激光加工技术的中国专利申请量进入高速增长阶段，这个阶段中国专利申请量基本上达到两年翻一番。2011-连续两年申请量都超过2000件，这表明在此阶段激光加工产业发展迅猛，可以预期激光加工当前在激光领域仍然处于国内申请量的高速增长期。
由此可见，激光加工技术中国专利申请经历了萌芽、稳步增长、快速增长、高速增长的四个阶段，当前仍然处于高速增长时期，这与国家对激光加工产业的加大投入和政策激励有很大关系。
2.2 专利主要技术领域的申请分布分析
激光加工的主要技术领域包括激光切割、激光焊接、激光打标、激光雕刻，图2是激光加工主要技术领域申请量分布图。由图2可以看出，从国内申请量来看，激光切割为2835件，激光焊接为3230件，激光打标为2438件，激光雕刻为1974件，分别占总申请量的20%、23%、17%和14%，由此可见上述这四个领域为国内激光加工的主要技术领域。
2.3 专利主要申请人分析
图3是激光加工技术中国专利申请量位居前列的主要申请人申请量份额图。
摘要：DFB(Distributed Feed Back)DFB型光发射机，分布反馈（激光器）半导体激光器因其波长的扩展、高功率激光阵列的出现以及可兼容的激光导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展、半导体激光器体积小、重量轻、成本低、波长可选择，其应用范围遍及的领域越来越宽广，其的出现带来了巨大的变化，使科技更发达，人们生活更加丰富多彩，应用范围遍及医学、科技、航天 交通，通信等各个领域。自从1962 年世界上第一台半导体激光器(Diode Laser)发明问世以来, 由于其体积小、重量轻、易于调制、效率高以及价格低廉等优点, 被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一.四十几年来半导体激光器逐步应用在激光唱机、光存储器、激光打印机、条形码解读器、光纤电信以及激光光谱学中, 不断扩大应用范围, 进入了一些其它类型激光器难以进入的新的应用领域。
关键字:DFB、工作波长、边模抑制比、阈值电流、输出光功率
一、分布反馈式半导体激光器简介
1、分布反馈式半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件.其工作原理是,通过一定的激励方式,在半导体物质的能带之间,或者半导体物质的能带与杂质能级之间,实现非平衡载流子的粒子数反转,当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时,便产生受激发射作用.半导体激光器的激励方式主要有三种,即电注入式,光泵式和高能电子束激励式.电注入式半导体激光器,一般是由GaAS,InAS,Insb等材料制成的半导体面结型二极管,沿正向偏压注入电流进行激励,在结平面区域产生受激发射.光泵式半导体激光器,一般用N型或P型半导体单晶(如GaAS,InAs,InSb等)做工作物质,以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器,一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质,通过由外部注入高能电子束进行激励.在半导体激光器件中,目前性能较好,应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。DFB(Distributed Feedback Laser)，即分布式反馈激光器，其不同之处是内置了布拉格光栅（Bragg Grating），属于侧面发射的半导体激光器。目前，DFB激光器主要以半导体材料为介质，包括锑化镓、砷化镓、磷化铟、硫化锌等。DFB激光器最大特点是具有非常好的单色性（即光谱纯度），它的线宽普遍可以做到1MHz以内，以及具有非常高的边摸抑制比（SMSR），目前可高达40-50dB以上。
2、分布反馈式半导体激光器的主要参数：a.工作波长：激光器发出光谱的中心波长。b.边模抑制比：激光器工作主模与最大边模的功率比。c.-20dB光谱宽度：由激光器输出光谱的最高点降低20dB处光谱宽度。d.阈值电流：当器件工作电流超过阈值电流时激光器发出相干性很好的激光。e.输出光功率：激光器输出端口发出的光功率。
二、分布反馈式半导体激光器原理
分布反馈式半导体的能带结构。半导体材料多是晶体结构。当大量原子规则而紧密地结合成晶体时，晶体中那些价电子都处在晶体能带上。价电子所处的能带称价带（对应较低能量）。与价带最近的高能带称导带，能带之间的空域称为禁带。当加外电场时，价带中电子跃迁到导带中去，在导带中可以自由运动而起导电作用。同时，价带中失掉一个电子，则相当于出现一个带正电的空穴，这种空穴在外电场的作用下，也能起导电作用。因此，价带中空穴和导带中的电子都有导电作用，统称为载流子。
掺杂半导体与p-n结。没有杂质的纯净半导体，称为本征半导体。如果在本征半导体中掺入杂质原子，则在导带之下和价带之上形成了杂质能级，分别称为施主能级和受主能级。有施主能级的半导体称为n型半导体；有受主能级的半导体称这p型半导体。在常温下，热能使n型半导体的大部分施主原子被离化，其中电子被激发到导带上，成为自由电子。而p型半导体的大部分受主原子则俘获了价带中的电子，在价带中形成空穴。因此，n型半导体主要由导带中的电子导电；p型半导体主要由价带中的空穴导电。半导体激光器中所用半导体材料，掺杂浓度较大，n型杂质原子数一般为（2－5）×1018cm-1；p型为（1－3）×1019cm-1。在一块半导体材料中，从p型区到n型区突然变化的区域称为p-n结。其交界面处将形成一空间电荷区。n型半导体带中电子要向p区扩散，而p型半导体价带中的空穴要向n区扩散。这样一来，结构附近的n型区由于是施主而带正电，结区附近的p型区由于是受主而带负电。在交界面处形成一个由n区指向p区的电场，称为自建电场。此电场会阻止电子和空穴的继续扩散。
p-n结电注入激发机理。若在形成了p-n结的半导体材料上加上正向偏压，p区接正极，n区接负极。显然，正向电压的电场与p-n结的自建电场方向相反，它削弱了自建电场对晶体中电子扩散运动的阻碍作用，使n区中的自由电子在正向电压的作用下，又源源不断地通过p-n结向p区扩散，在结区内同时存在着大量导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在注入区产生复合，当导带中的电子跃迁到价带时，多余的能量就以光的形式发射出来。这就是半导体场致发光的机理，这种自发复合的发光称为自发辐射。
图中光栅的周期为A，称为栅距。当电流注入激光器后，有源区内电子—空穴复合，辐射出能量相应的光子，这些光子将受到有源层表面每一条光栅的反射。在DFB激光器的分布反馈中，此时的反射是布拉格发射，光栅的栅条间入射光和反射光的方向恰好相反。
满足上式的那些特定波长的光才会受到强烈反射，从而实现动态单纵模工作。式也称为分布反馈条件（一般m取1）。
三、分布反馈半导体激光器反馈方式
普通结构的分布反馈半导体激光器(DFB-LD)，在高速调制状态下会发生多模工作现象，从而限制了传输速率。因此，设计和制作在高速调制下仍能保持单纵模工作的激光器是十分重要的，这类激光器统称为动态单模(DSM)半导体激光器。实现动态单纵模工作的最有效的方法之一，就是在半导体激光器内部建立一个布拉格光栅，依靠光栅的选频原理来实现纵模选择。分布反馈半导体激光器的特点在于光栅分布在整个谐振腔中，光波在反馈的同时获得增益。因为DFB-LD的谐振腔具有明显的波长选择性，从而决定了它们的单色性优于一般的FP-LD。
在DFB-LD中存在两种基本的反馈方式，一种是折射率周期性变化引起的布拉格反射，即折射率耦合(Index-Coupling)，另一种为增益周期性变化引起的分布反馈，即增益耦合(Gain-Coupling)。与依靠两个反射端面来形成谐振腔的FP-LD相比，DFB-LD可能激射的波长所对应的谐振腔损耗是不同的，也就是说DFB-LD的谐振腔本身具有选择模式的能力。在端面反射为零的理想情况下，理论分析指出：折射率耦合DFB-LD在与布拉格波长相对称的位置上存在两个谐振腔损耗相同且最低的模式，而增益耦合DFB-LD恰好在布拉格波长上存在着一个谐振腔损耗最低的模式。也就是说，折射率耦合DFB-LD原理上是双模激射的，而增益耦合DFB-LD是单模激射的。
四、分布式反馈激光器的制造技术
DFB激光器的光栅结构通常在波导表面掩膜，刻蚀形成。但是，在制造过程中产生的晶格损伤会降低量子效率，增大阈值电流。
避免晶格损伤产生的影响：将光栅和激光器有源层分开。主要提供了三种方法。方法1：利用扩散方法
1.在衬底GaAs上利用离子束刻蚀形成三阶光栅 2.P区掺杂Zn 3.在交界面1um下产生p-n结
方法2：利用separate confinementheterojunction 结构 1.注入的电子被p-Ga0.83Al0.17As 2限制在有源层
3.光子传播到p-Ga0.93Al0.07As的交界面 4.有源区不受晶格损伤的影响
方法3：利用水平耦合结构
1.光通过横向和水平方向消逝场的重叠部分来提供光反馈 2.耦合系数k与脊的深度有关
3.发射波长为9217埃，阈值电流为11mA
五、分布式反馈激光器特点
与一般F—P腔激光器相比，DFB激光器具有以下两大优点，因而在目前的光纤通信系统中得到广泛应用。（1）动态单纵模窄线宽输出
1、线宽窄：发射谱线宽定义为激光增益曲线和激光器的模式选择特性的卷积，由于光栅具有很好的波长选择特性，因此，发射谱宽较窄。
2、典型的端面反射型激光器的单模线宽为1到2埃，约 50 GHz，而带有光栅结构的DFB的线宽约为50–100 kHz。
3、目前商用的DFB激光器在1.55μm处的线宽小于25埃。
由于DFB激光器中光栅的栅距（A）很小，形成一个微型谐振腔，对波长具有良好的选择性，使主模和边模的阈值增益相对较大，从而得到比F—P腔激光器窄很多的线宽，并能保持动态单纵模输出。（2）波长稳定性好
1、传统的端面反射激光器的发射波长很容易受到温度的影响。
2、DFB激光器波长的稳定性较好，因为光栅能够锁定激光器输出给定的波长。
3、分析：（1）波长漂移：
4、端面反射激光器：3.7埃/摄氏度
5、DFB激光器：0.8埃/摄氏度（3）阈值电流：在m=0时，J端=JDFB
1、但J1=3J0，并且在模式转换处阈值电
2、流急剧增加（由增益曲线和激光模式
3、在此温度下不匹配导致的）
由于DFB激光器内的光栅有助于锁定给定的波长，其温度漂移约为0.8Å/℃，比F—P腔激光器要好得多。在端面激光器中，光的发射波长是由增益曲线和激光器的模式特性决定的，当达到阈值电流时，激光器通常会激发许多纵模
4、在DFB激光器中，发射波长会受到增益曲线的影响，但主要由光栅周期决定。
5、当 l 阶模和 l±1阶模的间距和增益曲线的线宽相比足够大时，只有一个模式有足够的增益产生激光。
尽管DFB激光器有很多优点，但并非尽善尽美。例如，为了制作光栅，DFB激光器需要复杂的二次外延生长工艺，在制造出光栅沟槽之后由于二次外延的回熔，可能吃掉已形成的光栅，致使光栅变得残缺不全，导致谐振腔内的散射损耗增加，从而使激光器的内量子效率降低。此外，DFB激光器的震荡频率偏离Bragg频率，故其阈值增益较高。DFB激光器的发展方向是，更宽的谐调范围和更窄的线宽，在一个DFB激光器集成两个独立的光栅，实现更宽的波长谐调范围，比如达到100nm谐调范围，以及更窄的光谱线宽。
六、分布式反馈激光器实际工程系统中的应用
分布反馈式半导体激光器是成熟较早、进展较快的一类激光器，由于它的波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且由于体积小、重量轻、寿命长，因此，品种发展快，应用范围广，目前已超过300种，半导体激光器的最主要应用领域是Gb局域网，850nm波长的半导体激光器适用于)1Gh/。局域网，1300nm-1550nm波长的半导体激光器适用于1OGb局域网系统[i1.半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术.半导体激光器在激光测距、激光雷达、激光通信、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪、引燃引爆、自动控制、检测仪器等方面获得了广泛的应用，形成了广阔的市场。1978年，半导体激光器开始应用于光纤通信系统，半导体激光器可以作为光纤通信的光源和指示器以及通过大规模集成电路平面工艺组成光电子系统.由于半导体激光器有着超小型、高效率和高速工作的优异特点，所以这类器件的发展，一开始就和光通信技术紧密结合在一起，它在光通信、光变换、光互连、并行光波系统、光信息处理和光存贮、光计算机外部设备的光祸合等方面有重要用途.半导体激光器的问世极大地推动了信息光电子技术的发展，到如今，它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源.半导体激光器再加上低损耗光纤，对光纤通信产生了重大影响，并加速了它的发展.因此可以说，没有半导体激光器的出现，就没有当今的光通信.GaAs/GaAlA。双异质结激光器是光纤通信和大气通信的重要光源，如今，凡是长距离、大容量的光信息传输系统无不都采用分布反馈式半导体激光器(DFB一LD).半导体激光器也广泛地应用于光盘技术中，光盘技术是集计算技术、激光技术和数字通信技术于一体的综合性技术.是大容t.高密度、快速有效和低成本的信息存储手段，它需要半导体激光器产生的光束将信息写人和读出.下面我们具体来看看几种常用的半导体激光器的应用: 量子阱半导体大功率激光器在精密机械零件的激光加工方面有重要应用，同时也成为固体激光器最理想的、高效率泵浦光源.由于它的高效率、高可*性和小型化的优点，导致了固体激光器的不断更新。
在印刷业和医学领域。
高功率半导体激光器也有应用.另外，如长波长激光器(1976年，人们用Ga[nAsP/InP实现了长波长激光器)用于光通信，短波长激光器用于光盘读出.自从NaKamuxa实现了GaInN/GaN蓝光激光器，可见光半导体激光器在光盘系统中得到了广泛应用，如CD播放器，DVD系统和高密度光存储器可见光面发射激光器在光盘、打印机、显示器中都有着很重要的应用，特别是红光、绿光和蓝光面发射激光器的应用更广泛.蓝绿光半导体激光器用于水下通信、激光打印、高密度信息读写、深水探测及应用于大屏幕彩色显示和高清晰度彩色电视机中.总之，可见光半导体激光器在用作彩色显示器光源、光存贮的读出和写人，激光打印、激光印刷、高密度光盘存储系统、条码读出器以及固体激光器的泵浦源等方面有着广泛的用途.量子级联激光的新型激光器应用于环境检测和医检领域.另外,由于半导体激光器可以通过改变磁场或调节电流实现波长调谐，且已经可以获得线宽很窄的激光输出，因此利用半导体激光器可以进行高分辨光谱研究.可调谐激光器是深入研究物质结构而迅速发展的激光光谱学的重要工具大功率中红外(3.5lm)LD在红外对抗、红外照明、激光雷达、大气窗口、自由空间通信、大气监视和化学光谱学等方面有广泛的应用。
绿光到紫外光的垂直腔面发射器方面
绿光到紫外光的垂直腔面发射器在光电子学中得到了广泛的应用，如超高密度、光存储.近场光学方案被认为是实现高密度光存储的重要手段.垂直腔面发射激光器还可用在全色平板显示、大面积发射、照明、光信号、光装饰、紫外光刻、激光加工和医疗等方面I2)、如前所述，半导体激光器自20世纪80年代初以来，由于取得了DFB动态单纵模激光器的研制成功和实用化，量子阱和应变层量子阱激光器的出现，大功率激光器及其列阵的进展，可见光激光器的研制成功，面发射激光器的实现、单极性注人半导体激光器的研制等等一系列的重大突破，半导体激光器的应用越来越广泛，半导体激光器已成为激光产业的主要组成部分，目前已成为各国发展信息、通信、家电产业及军事装备不可缺少的重要基础器件。
军事方面的应用
半导体激光引信是一种光学引信, 属主动式近炸引信的技术范畴。激光引信通过激光对目标进行探测, 对激光回波信息进行处理和计算, 判断出目标, 计算出炸点, 在最佳位置适时引爆。炸弹一旦未捕获或丢失目标以及引信失灵后, 自炸机构可以引爆弹丸自毁。半导体激光引信是激光探测技术在武器系统中最成功的应用。
1.激光制导：它使导弹在激光射束中飞行直至摧毁目标。
半导体激光制导已用于地-空导弹、空-空导弹、地-地导弹等。激光制导跟踪在军事上具有十分广泛的应用。激光制导的方法之一是驾束制导, 又称激光波束制导。从制导站的激光发射系统按一定规律向空间发射经编码调制的激光束, 且光束中心线对准目标;在波束中飞行的导弹, 当其位置偏离波束中心时,装在导弹尾部的激光接收器探测到激光信号, 经信息处理后, 弹上解算装置计算出弹体偏离中心线的大小和方向, 形成控制信号;再通过自动驾驶仪操纵导弹相应的机构, 使其沿着波束中心飞行, 直至摧毁目标为止。另一种激光制导方法是光纤制导。通过一根放出的光纤把传感器的信息传送到导弹控制器, 观察所显示的图像并通过同一光纤往回发送控制指令,以达到控制操纵导弹的目的。
2.激光测距：主要用于反坦克武器以及航空、航天等领域。
测距仪采用半导体激光器作光源具有隐蔽性,略加改进, 还可测量车辆之间的距离并进行数字显示, 在低于所需安全系数时发出警报。半导体激光夜视仪和激光夜视监测仪也得到重要应用。利用半导体激光器列阵主动式夜视仪的光源具隐蔽性, 列阵功率高的特点, 可提高监测距离至1 km, 如配上扫描和图像显示装置, 则可成为激光夜视监测仪。用其对目标进行监测时, 目标的活动情况可适时通过光缆传送到指挥所。选择较长的合适波长, 可成为全天候监测仪。
3.激光雷达：与CO2 激光雷达相比
半导体激光列阵的激光雷达体积小、结构简单、波长短、精度高、具有多种成像功能及实时图像处理功能, 包括各种成像的综合、图像跟踪和目标的自动识别等。可用于监测目标, 测量大气水气、云层、空气污染;还可用作飞机防撞雷达, 机载切变风探测相干光雷达, 对来袭目标精确定位以及对直升飞机和巡航导弹的地形跟踪等。半导体激光雷达主要是波长820～850 nm 的LD 及列阵。
4.激光模拟：以半导体激光为基础发展起来的新型军训和演习技术。通过调节激光射束、周期和范围以达到模拟任何武器特征的目的。武器模拟主要使用904 nm 半导体激光器, 用对眼睛安全的激光器作为战术训练系统的基础, 最初称为激光交战系统(LES)。该系统的研制始于1973 年, 其可行性已得到了证实。1974 年引进了微处理机技术, 于是LES 发展成为多功能激光交战系统(MILES)。同年,赛罗克斯电光系统公司接受了全套MILES 工程的研制合同, 向陆军提供8 万多套装备, 用于地面作战模拟。此外, 该公司还研制了空对地作战系统以及MILES 空防样机。目前, 全世界有美、英、瑞(典)三国出售MILESII/SAWE 系统;北约国家、以色列、阿根廷、俄罗斯、中国都在开发这种系统。
5.深海光通信：半导体激光器具有抗干扰、保密性好等优点。
激光对潜通信光源蓝绿光是海水的通信窗口(460～540 nm), 穿透深度约300 ft, 潜艇可用蓝绿光和卫星或航空母舰进行通信联络。倍频半导体高功率激光器列阵(波长在920～1080 nm)就是一种这样的光源。
6.半导体激光瞄准和告警
瞄准具有两类: 一类以发射红外激光的GaAs激光器为基础, 士兵需佩戴夜视镜才能看清目标上的激光光斑, 以解决夜间士兵的瞄准射击问题;另一类激光瞄准以发射红色激光和可见光的半导体激光器为基础。美国激光装置公司在20 世纪80 年代推出的FA-4 型激光瞄准具的重量仅99 g, 长11.4 cm。为满足不同波长激光和可调谐激光器的探测要求, 激光告警的工作波段不断得到拓展, 角分辨率也不断得到提高。
7.半导体激光通信
半导体激光器在卫星通信技术中只需要较小的望远镜和较低的发射功率, 就能实现光的自由空间传输并获得极高的数据率传输。激光通信技术可用于轨道卫星间的相互通信及卫星与地面站的通信。
8.军用光纤陀螺
军用光纤陀螺是军用光纤领域中用途最广, 是目标监测和测量方面不可缺少的技术手段。由光纤绕成环形光路, 采用Sagnac 干涉原理, 检测出随转动产生的两路激光束的相位差, 由此得出转动的角速度。其主要优点是: 无运动部件, 仪器牢固, 耐冲击, 抗加速运动;机构简单, 价格低廉;启动时间极短(原理上可瞬时启动);灵敏度高, 可达10-7 rad/s;动态范围极宽(约为2 000 度/秒);寿命长等。在军用民用光纤通信、光纤制导导弹、制导鱼雷等方面广泛应用。
其他方面的应用
下表是DFB一些主要波长在激光气体分析、原子钟应用、Nd：YAG激光器种子源等领域上的应用：
下图是Harvard所研究的Hitran数据库在750-3500nm之间的光谱吸收图，可以作为大部分气体分析的数据参考：
1．用于发电站
严格监控各气体的成分比率：
H2O, O2, CO, CO2, NH3, NO2等； 实现更快更有效的燃烧；
减少污染物的排放，减小能耗。
2．用于过程控制
监测HCl 的浓度，优化PVC材料的生产； 监测燃烧室中 O2, CO, CO2 的浓度，控制钢铁的熔炼过程。
3．用于管道检测
天然气管道成分、泄漏检测。
4．用于太空研究
比如用于NASA实验室，俄罗斯航天
局等。
结语:
现代社会对光纤通信网络传输容量的要求急剧增长,波分复用系统复用的信道数越来越多,这就需要大量不同波长激光器来作为这种通信系统的光源。如果用分立器件来构成这种通信网络的话,那么波分复用系统将十分复杂,体积巨大,维护成本随传输容量同步上升。与此同时,这种通信系统的能耗也将上升到惊人的地步。为解决日益严重的系统复杂性和能耗激增问题,最好的方法是用多种功能器件集成的光子集成芯片取代分立器件,来构建波分复用通信系统。组成光子集成芯片的最核心器件——多波长激光器阵列的制造要比单个激光器难度大得多。目前已经商用的光子集成芯片中的分布反馈式多波长半导体激光器阵列,必须采用经过特殊加工、精度高达0.1纳米的电子束刻写设备来制造,加工过程十分缓慢复杂,成品率低下,其高昂的成本使之难以大规模商业化生产 为了解决上述困难,我们提出了利用重构一等效啁啾技术来设计制作半导体激光器及阵列的方法。
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激光对光电探测器的损伤情况与激光的能量(功率)、波长、重复频率、辐照时间、光斑尺寸和探测器的类型等诸多因素有关[1]。对于确定的实验系统而言,则激光能量(功率)和重复频率成为主要的影响因素(连续激光可看作重频为无限大)。文献[2]通过实验测量了连续激光与5 kHz重频激光对可见光线阵CCD的损伤阈值,发现重频激光的损伤阈值低于连续激光;文献[3]中的实验表明,激光脉冲能量越强,损伤现象越严重。但在实际应用中,到达探测器表面的激光能量(功率)不可能太高,因此研究连续、重频脉冲激光的不同损伤机制,探寻更容易造成损伤的激光工作状态具有重要意义。文献[4]采用800 nm,100 fs的脉冲激光对面阵CCD进行辐照实验,发现在1 Hz,10 Hz,1 kHz三种重频情况下,发生损伤所对应的平均功率密度阈值在10 Hz时最小,1 kHz时最大。但是,对重频激光损伤阈值低于连续激光、不同重频激光损伤阈值有差异的原因,目前还没有明确的报道。
本文开展了1.06µm激光在不同工作状态下对可见光CCD的损伤实验,通过对损伤形貌的电镜扫描分析,讨论了连续、重频激光以及不同重频激光对CCD的损伤机理。
1 激光损伤实验
1.1 实验装置
采用声光调Q的高重频Nd:YAG激光器对CCD进行损伤实验。CCD的探测器芯片与镜头分离,芯片大小为1/4英寸,镜头焦距25 mm,对1.06µm激光透过率为85%。由于探测器芯片表面具有红外截止滤光片,而1.06µm激光不在滤光片的透射光谱内,所以为了进行该实验,必须将芯片表面的滤光片取下。实验装置如图1。图1中分光镜的透反比为1.25,激光辐照时间定为1 s,CCD对0.6 m远外的物体成像。
1.2 实验现象
分别使用连续激光、40 kHz和5 kHz重频激光对三个相同型号的CCD探测器进行损伤实验,每组实验中,各个损伤状态所对应的激光光斑位于探测器表面的不同位置,激光功率都指镜头前的激光功率。
首先使激光器处于连续工作状态,当激光功率为8.03 W时,输出图像中出现一个较小的损伤点,如图2(a);激光功率为8.56 W时,输出图像中的损伤点变大,如图2(b);激光功率增大至13.63 W时,图像中出现不可恢复的纵向损伤亮线和横向损伤暗线,如图2(c);激光功率增大至18.75 W时,输出为全白屏,且不可恢复,如图2(d)。
分别在各个损伤状态下对垂直驱动电极与衬底之间的阻抗(RVΦ1-SUB~RVΦ4-SUB)、水平驱动电极与衬底之间的阻抗(RHΦ1-SUB~RHΦ2-SUB)进行测量,得到表1。
发现,RHΦ1-SUB~RHΦ2-SUB始终不变。CCD出现点损伤时,RVΦ1-SUB~RVΦ4-SUB不发生变化;CCD出现线状损伤时,RVΦ1-SUB~RVΦ4-SUB与正常工作时相比稍有减小;CCD被完全损伤时,RVΦ1-SUB~RVΦ4-SUB急剧减小,与正常工作时相比下降了3个数量级。
更换CCD,调节激光器,使之输出40 kHz重频脉冲激光。当激光平均功率为3.69 W时,输出图像中出现一个很小的损伤点,如图3(a);当激光平均功率为4.08 W时,输出图像中出现较严重的线状损伤,并伴有横向损伤暗线,如图3(b);当激光平均功率为5.05 W时,图像变黑,且不可恢复,如图3(c)。
更换CCD,使激光器输出5 kHz重频脉冲激光。当激光平均功率为0.355 W时,输出图像中出现横向损伤暗线,如图4(a);当激光平均功率为0.396 W时,图像中出现很细的纵向损伤亮线,并伴有横向损伤暗线,如图4(b);当激光平均功率为0.426 W时,图像变黑,出现较粗的纵向亮线,且不可恢复,如图4(c)。
综合以上实验结果,发现连续激光不容易造成CCD的损伤,其损伤阈值最高;而5 kHz重频激光很容易造成CCD的损伤,其损伤阈值最低,且没有点损伤现象;40 kHz重频激光的作用效果介于两者之间。
2 损伤机理分析
2.1 连续激光作用情况
为了解释以上实验现象,分别对三组实验中损伤的CCD芯片进行电镜扫描分析,得到连续激光作用时,芯片上各个损伤位置的损伤形貌,如图5(a)∼(d)。
输出图像中出现较小的损伤点时,芯片上对应的损伤形貌如图5(a),放大倍率为500。可以发现表层微透镜的熔融剥落,但内层的彩色滤光片并没有损坏。微透镜的损伤使像元开口率发生变化,垂直移位寄存器(垂直CCD)开始出现轻微漏光[5];彩色滤光片温度的升高可能使其中的化学元素发生某种变化[6],导致其对可见光的透过率有所增大。由于以上两种因素的存在,在无激光辐照时,损伤区域仍有较多载流子产生,表现为输出图像中的小损伤亮点。
输出图像中出现较大的损伤点时,芯片上对应的损伤形貌如图5(b),放大倍率为500。发现表层微透镜和彩色滤光片都已发生熔融,但内层的感光单元阵列和转移电极结构仍然完好。激光光斑随着输出功率的增大而增大,而且在激光辐照期间热量将沿着径向传导,所以损伤区域明显变大。彩色滤光片的熔融使得可见光可以不经衰减地直接辐照在损伤区域,在无激光辐照时产生更多载流子,表现为输出图像中的较大损伤亮点。
输出图像中出现不可恢复的线状损伤时,芯片上对应的损伤形貌如图5(c),放大倍率为4 000。图示的网格结构中,纵向的是垂直CCD,横向的是布线电路,二者都由表层的铝膜进行遮光,CCD探测器通过布线电路将时序驱动电压加载到各列垂直CCD的转移电极上,从而实现电荷转移功能。发现暴露于激光下的遮光铝膜受到了损伤,铝膜的部分熔融使垂直CCD出现严重漏光;同时由于没有了遮光铝膜的保护,内层原本分立的多晶硅电极可能因激光辐照而熔融、短路,在不同的驱动电压下,产生电极间的漏电流。漏光现象和漏电流使载流子明显增加,沿着垂直CCD溢出,表现为图像中的损伤亮线。电极之间的短路,对某一驱动电极与衬底间的阻抗而言,相当于并联了其他电阻,故表1中的RVΦ1-SUB~RVΦ4-SUB与正常工作时相比稍有减小。
输出图像全白屏时,芯片上对应的损伤形貌如图5(d),放大倍率为2 000。发现遮光铝膜的熔融更加严重,冷却凝聚后为液滴状物,故漏光现象和电极间的漏电流将进一步增大,而且多晶硅电极熔融可能导致下层的SiO2绝缘层紧接着被损伤,Si O2绝缘性降低使电极与衬底之间的漏电流急剧增加[7]。大量的载流子溢出,将垂直CCD和水平CCD(水平移位寄存器)相继填满,故输出图像为全白屏[7]。SiO2绝缘层的损伤,导致驱动电极与衬底间的阻抗急剧降低,故表1中的RVΦ1-SUB~RVΦ4-SUB与正常工作时相比下降了3个数量级。估算此时芯片上的光斑半径为70µm,平均功率密度约为1.035×105 W/cm2。
2.2 40 kHz重频激光作用情况
40 kHz重频激光作用时,芯片上各个损伤位置的损伤形貌,如图6(a)∼(b)。
输出图像中出现较小的损伤点时,芯片上对应的损伤形貌与连续激光作用时相似,损伤机理也类同。
输出图像中出现较严重的线状损伤时,芯片上对应的损伤形貌如图6(a),放大倍率为3 000。发现遮光铝膜和多晶硅电极发生汽化烧蚀损伤。虽然只是几个像元被损伤,但漏光现象和电极间的漏电流产生了大量的溢出载流子。
输出图像全黑屏时,芯片上对应的损伤形貌如图6(b),放大倍率为2 000。汽化烧蚀的区域扩大为十几个像素,这将使漏光现象加重、电极间以及电极与衬底间的漏电流进一步增大。溢出载流子将垂直CCD、水平CCD相继填满后仍向读出电路溢出,表现为全屏黑屏[8]。估算此时芯片上的光斑半径约为50µm,脉宽700 ns,单脉冲功率密度约为1.952×106 W/cm2。
2.3 5 kHz重频激光作用情况
5 kHz重频激光作用时,芯片上各个损伤位置的损伤形貌,如图7(a)∼(c)。
输出图像中出现横向损伤暗线时,芯片上对应的损伤形貌如图7(a),放大倍率为4 000。发现横向分布的像元隔离结构被损伤,这可能导致了输出图像中的横向暗线,具体原因尚未明确。而且在图6(a)、图7(b)中也可以观察到像元隔离结构的烧蚀现象,这进一步验证了以上推测。
图像中出现很细的纵向损伤亮线时,芯片上对应的损伤形貌如图7(b),放大倍率为2 500。垂直CCD的遮光铝膜被损伤,产生漏光现象和电极间的漏电流。
图像变黑时,芯片上对应的损伤形貌如图7(c),放大倍率为2 000。光斑区域的损伤程度很严重,已经将硅基底材料损伤。CCD器件材料发生强烈汽化,靶材料蒸汽高速喷出时把部分凝聚态颗粒或液滴一起冲刷出去,这种“冲刷”现象使得激光的烧蚀率大大提高,因为被冲刷出去的凝聚态材料并没有吸收汽化热,所以对材料的损伤深度更深。同时,喷溅出靶面的材料蒸汽和凝聚态颗粒将施加给靶面反冲压力及冲量,对靶面材料造成力学损伤[9]。估算此时芯片上的光斑半径约为30µm,脉宽180 ns,得到单脉冲功率密度约为1.423×107 W/cm2。
由以上分析结果可知,连续激光对CCD的损伤阈值较高(W量级),但探测器表面的激光平均功率密度却较低(105 W/cm2量级),损伤过程主要以探测器材料的热熔融为主;5 kHz重频激光对CCD的损伤阈值较低(mW量级),但探测器表面的单脉冲功率密度却较高(107 W/cm2量级),损伤过程主要以探测器材料的汽化烧蚀以及因较强汽化而产生的“冲刷”现象和与之伴随产生的反冲压力损伤为主;40 kHz重频激光的损伤阈值和探测器表面的单脉冲功率密度介于两者之间,损伤过程主要以探测器材料的汽化烧蚀为主。
实验中的高重频Nd:YAG激光器采用连续泵浦方式,所以调节激光重频时,重频脉宽也会发生变化。但重频在5~40 kHz变化时,脉宽变化范围为180~700 ns,这对单脉冲功率密度量级的影响不大。所以,本实验可以相对准确地反映不同重频激光对CCD的作用机理。
3 结论
CCD损伤过程中的第一阶段(即点损伤)是由微透镜或者彩色滤光片的损伤造成的;第二阶段(即线状损伤)是由于遮光铝膜和多晶硅电极损伤,进而产生漏光现象和电极间漏电流造成的;第三阶段(即完全损伤)是由于多晶硅电极下SiO2绝缘层损伤,进而使得电极与衬底间的漏电流急剧增大造成的。
连续激光对CCD的损伤阈值较高,以热熔融为主;5 kHz重频激光对CCD的损伤阈值较低,以汽化烧蚀以及因较强汽化而产生的“冲刷”现象和与之伴随产生的反冲压力损伤为主;40 kHz重频激光的损伤阈值介于两者之间,以汽化烧蚀为主。
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